一种螺旋运动电机的制作方法

本发明属于机电领域，具体涉及螺旋运动电机。

背景技术：

当今在机械运动和控制领域，随着运动形式的多样化和控制要求的提高，对多自由度电机及其直接驱动系统的需求日益增加，作为一类两自由度的螺旋电机，当对不同方向进行约束或解除约束时，能够输出旋转、直线和螺旋运动，能够减少系统部件、提高效率、可靠性和动态性能，并且降低了制造和维护费用，获得了国内外的广泛重视，在螺旋压力机，螺旋钻机、螺旋钻床,车削设备，螺旋升降机、螺旋搅拌机、步进控制、电磁螺旋推进器，代替气动缸液压缸等方面有着广泛的应用前景。

从工作原理上区分，螺旋运动电机主要有感应式、开关磁阻式和永磁三大类。从结构和控制特点上区分，主要有两类：一类是由一台旋转运动电机和一台直线运动电机串联组合而成的螺旋电机，其动子由铁芯和铁芯表面的导电层组成，如：法国学者J.Fleszar提出的一种感应式旋转-直线电机等，罗马尼亚学者Lorand Szabo提出的开关磁阻旋转-直线运动电机，定子为三个传统的8极开关磁阻电机铁芯和4相集中绕组，动子由多个轴向串联的6极开关磁阻电机转子组成，定子叠片单元的轴向距离与动子叠片单元的轴向距离之间具有特定关系，控制定子绕组的供电顺序，可实现电机的旋转、直线或螺旋运动。上海理工大学学者怡勇提出了另一种旋转-直线开关磁阻电机，定子分为轴向串联的直线运动部分和旋转运动部分，两部分磁路相互解耦，等等。这类螺旋电机的旋转和直线运动部分分别具有独立的激磁结构。第二类是旋转和直线运动部分共用一个激磁结构，最常见的是动子表面沿圆周和轴线两个方向N、S交替分布的永磁体阵列，例如：东南大学学者金平等提出了一种三定子、多相绕组，动子表面贴有“棋盘式”永磁体的旋转-直线电机。又如：法国里尔科技大学学者G.Krebs提出了一种具有内外定子、集中绕组的旋转-直线永磁电机，其转子为空心杯结构，表面装贴“棋盘式”永磁体阵列，两套定子共用一套转子磁钢，存在共磁路耦合关系。

上述这些螺旋电机尽管都能实现旋转运动、直线运动或螺旋运动，但相比已有的旋转电机还是存在结构复杂、体积大、制造和维护成本高或效率低等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：寻求一种结构简单、制造和维护容易、低成本的螺旋运动电机（或简称螺旋电机）。

为达到上述目的和解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

一种螺旋运动电机，包括定子组件、动子组件，所述定子组件包括至少一组电机定子，每组定子由定子磁路、成对磁极磁场、定子壳架等构成，所述动子组件包括至少一组电机动子，每组动子由动子轴、动子磁路及成对磁极磁场、动子轴支撑体等构成，所述磁极磁场是由永磁体与铁芯或绕组与铁芯组成产生的磁极磁场或由交变电流磁场在导电体中感应电流产生的磁极磁场，其特征在于，每组定子磁极、齿槽或绕组沿轴向围绕定子内壁螺旋布置，螺旋升角为正负1°—89°，形成定子螺旋磁场，每组动子磁极、齿槽或绕组沿轴向围绕动子轴外壁螺旋布置，螺旋升角正负1°—89°，形成动子螺旋磁场，定子磁场和动子磁场的螺旋方向可以是顺时针，也可以是逆时针，定子磁极与动子磁极的螺旋方向基本一致，定子磁极和动子磁极的螺旋升角大小相差不超过5°；定子与动子之间存在气隙，定子或动子长度依照是内动子还是外动子模式、长动子还是短动子模式及需要的轴向行程而定，在约束动子的轴向位移条件下，动子可依据电流方向，在圆周方向上做360°范围的连续正反向旋转，在约束旋转方向位移条件下，动子可依据电流方向做往复直线运动，在解除轴向位移约束和旋转方向位移约束的条件下，动子可依据电流方向或磁极螺旋方向做正反螺旋运动，电机电源采用直流电源或两相及以上的多相交变电源。

这种螺旋电机的原理实质上是将现有各种旋转电机的定子磁极及转子磁极组件向同一方向扭转拉伸一个合适大小的角度和升程形成，每组定子和动子的磁极、齿槽、绕组绕电机中心轴线螺旋角度可以小于360°，也可以大于360°，可以是单条螺旋方式，也可以是多条螺旋方式。各种螺旋电机的各种绕组结构与现有各种旋转电机和直线电机的绕组结构基本相同。上述螺旋电机还包括同步、异步等结构模式。对于上述各种螺旋电机，通过设置或解除定子或动子的约束条件可实现外定子、内动子模式和内定子、外动子模式，还可通过设计磁极、绕组长度或串联多组磁极绕组实现短动子长定子或短定子长动子结构，调整所需行程大小，当电磁绕组安置在动子上时，需要配置输电滑环、滑道或换流器。对于动子支撑轴承可配置往复运动轴承。对于形成螺旋磁场的电源可以依据不同电机结构和用途采用直流电源、交变电源或脉冲电源，可以是两相及以上的多相电源，现有各种旋转电机和直线电机的电源系统和控制系统均可根据需要采用。此类电机所产生轴向力的方式，可用于平衡负载有较大轴向力的旋转电机，如真空泵用电机等。

上述的一种螺旋运动电机，改进的技术方案是，所述沿轴向围绕定子内壁或动子轴外壁螺旋布置的每组定子或动子磁极的始端磁极和终端磁极之间及各对磁极之间设有导磁连桥，导磁连桥是导磁体，导磁体可以是条形体、弧形体或筒形体，导磁连桥将磁路形成闭环，螺旋电机的内动子或内定子的磁连桥设置在内动子或内定子磁极内侧的磁路上，形成闭环磁路，当内定子或内动子本身就是导磁体时，就不需另加导磁连桥；螺旋电机的外动子或外定子的磁连桥设置在外动子或外定子磁极外侧的磁路上，形成闭环磁路，

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种感应式螺旋运动电机，所述定子磁路、磁极由铁芯和绕组构成，所述动子磁极是套装在动子轴上的导电材料在定子磁场感应下的涡流产生的螺旋磁极。所述导电材料是具有较好导电性能的金属材料或合金材料或复合材料。所述动子磁极还可以是套装在动子轴上的导磁导电材料在定子磁场感应下的涡流产生的螺旋磁极。所述导磁导电材料是既具有良好导磁性又具有较好导电性能的金属材料或合金材料或复合材料。此种螺旋电机采用交变电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种感应式螺旋运动电机，所述定子磁路、磁极由铁芯和绕组构成，所述动子轴外套装有铁芯，铁芯上开有齿槽，齿槽内设有导电体，各齿槽和各导电体沿轴向围绕动子轴外壁螺旋布置，螺旋方向与定子齿槽和定子绕组的螺旋方向一致，螺旋升角相等；动子铁芯内还设有短路导体，短路导体是沿轴向围绕动子铁芯槽内螺旋布置，螺旋方向与定子齿槽和定子绕组的螺旋方向相反，螺旋升角大小相等，短路导体与各动子齿槽内的导电体连接，各短路导体之间的螺旋导程等于定子绕组的轴向有效长度。此种螺旋电机采用两相以上的交变电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种感应式螺旋运动电机，所述螺旋运动电机是一种感应式螺旋运动电机，所述定子磁路、磁极由铁芯和绕组构成，所述动子轴由一根以上的动子短轴铰链串接而成，每根动子短轴外串装有一组以上个铁芯，各铁芯上开有齿槽，齿槽内设有导电体，各齿槽和各导电体沿轴向围绕动子轴外壁螺旋布置，螺旋方向与定子齿槽和定子绕组的螺旋方向一致，螺旋升角相等；各组动子铁芯两端还设有短路环，短路环与各动子齿槽内的导电体连接，各短路环之间的距离等于定子绕组的轴向有效长度，定子绕组电源采用多相交变电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种磁阻式螺旋运动电机，所述定子磁路、磁极由铁芯和绕组构成，所述定子磁极为凸极结构，所述动子磁极为凸极结构，动子、定子磁极是导磁铁芯，定子磁极数与动子磁极数均为偶数，此种螺旋电机可直接采用两相及以上的多相交变电源或通过控制器及功率变换器将直流电源转换成多相开关电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，是一种磁阻式螺旋运动电机，其特征在于，在各对定子或动子磁极间设置有永磁体。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种磁阻式步进螺旋运动电机，所述定子磁路、磁极由铁芯和绕组构成，定子磁极为凸极结构，在定子凸极磁极端面上沿着磁极的中心线方向开有一个以上数量的定子磁极端面齿槽，所述动子磁极为凸极结构，动子、定子磁极是导磁体，动子磁极端面上沿着磁极的中心线方向开有一个以上数量的动子磁极端面齿槽，定子磁极上的磁极端面齿槽宽与齿间距同动子磁极上的磁极端面齿槽宽与齿间距相同。此种螺旋电机的定子绕组电源可由直流电源通过控制器和功率变换器提供多相开关电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种磁阻式步进螺旋运动电机，在各对定子或动子磁极间设置有永磁体。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种永磁式螺旋运动电机，所述动子磁极是由铁芯与永磁体构成，动子磁极沿径向磁化，所述定子磁极由定子铁芯、定子绕组构成。此种螺旋电机的动子还可以是在其永磁动子上加装“鼠笼”绕组，形成异步起动永磁同步螺旋电机。此种螺旋电机定子绕组采用交变电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种永磁式螺旋运动电机，所述定子磁极是由铁芯与永磁体构成，定子磁极沿径向磁化，动子由动子铁芯、动子绕组及换向器构成，所述永磁式螺旋电机的动子、定子和换向器的长度依照是内动子还是外动子模式及需要的轴向行程而定。此种螺旋电机动子绕组采用直流电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种直流励磁式螺旋运动电机，所述定子磁极和磁路由铁芯和绕组构成，定子电源是多相交变电源，所述动子组件由动子铁芯、动子励磁绕组和集电环组成，动子电源是直流电源，所述直流式螺旋电机的动子组件、定子和集电环的长度依照是内动子还是外动子模式及需要的轴向行程而定。碳刷相对于集电环上的运动轨迹与动子的运动模式相同。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种感应式螺旋运动电机，所述定子是由铁芯和绕组构成，所述动子磁极是绕线动子磁极，动子绕组线端通过集电环与电刷引出接入控制回路，所述感应式螺旋电机的动子、定子和集电环的长度依照是内动子还是外动子模式及需要的轴向行程而定。此种螺旋电机定子绕组接入交变多相电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋运动电机是一种无刷式直流永磁螺旋运动电机，所述定子是由铁芯和绕组构成，所述动子是永磁体，在动子和定子绕组之间装有动子位置检测与定子绕组开关控制器。此种螺旋电机定子绕组通过开关控制器接入直流电源。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述每组定子、动子的磁极、齿槽或绕组沿轴向螺旋布置是单条螺旋布置，形成螺旋磁场。齿槽内的螺旋带导体与短路导体之间连接导电。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述每组定子、动子的磁极、齿槽或绕组沿轴向螺旋布置是多条螺旋布置，形成螺旋磁场。每一条螺旋带布置的导体与短路导体之间连接导电，各条螺旋带布置的短路导体之间相互绝缘。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述定子组件或动子组件是由两组定子组件或动子组件串联安置，两个定子组件或动子组件的磁极及绕组螺旋方向相反或相同，升角大小相同。分别控制输入两组定子或动子组件的电流大小和方向可获得不同的输出运动模式和不同的输出特性。

上述的一种螺旋运动电机，改进的技术方案是，所述定子组件或动子组件是由两组定子组件或动子组件并联螺旋布置，两个定子组件或动子组件的磁极及绕组螺旋方向相反或相同，升角大小相同。两组定子组件可以是同性磁极并联排列，也可以是异性磁极并联排列。分别控制输入两组定子或动子组件的电流大小和方向可获得不同的输出运动模式和不同的输出特性。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋电机是一种螺旋推进电机，在所述定子与动子靠近的定子组件上的各绕组上串接有磁性开关后接到电源上，所述动子是导磁体，动子外周镶嵌有永磁体，永磁体在接近磁性开关时接通前部或后部一绕组的电路。动子可以是短动子，动子导磁体的前端可安装冲击锤头等。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，所述螺旋电机是一种螺旋推进电机，在所述定子与动子靠近的定子磁极的内壁上设置有非磁性套管，非磁性套管的内壁上沿轴向每一绕组宽度内设置有两个导电环，两个导电环之间绝缘，每两个导电环串接在定子绕组回路上后连接到电源上，所述动子上设置有导电环刷，每一导电环刷接通前部或后部绕组的两个导电环，动子是导磁体，动子导磁体的前端可安装冲击锤头。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，在动子轴的一端固定有螺杆，螺杆上装有螺母。当螺母固定在机架上时可起到自锁作用。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，在所述动子轴与被推动负载之间安装有推力轴承，推力轴承可保持负载原有的直线运动和电机的螺旋运动。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，在所述动子轴与定子支架之间安装有电磁抱闸装置，电磁抱闸用于刹车。

上述的一种螺旋运动电机，可供选择的技术方案是，内动子或内定子轴是空心轴。

上述各种螺旋电机，当接入电源时可做为电动机使用，当对动子输入螺旋运动机械动力并对绕组输入励磁电流时可做为发电机使用。

上述各感应式螺旋电机的动子或定子可以是磁性材料，如低碳钢；也可以是非磁性材料，如铜或铝；还可以是复合导电导磁材料。定子铁芯由硅钢片冲制叠置而成，或按照专利2011800658880.5（旋转电机螺旋铁芯的制造方法及旋转电机铁芯的制造装置），或专利201410640562.2（高效电机用螺旋形定子芯的制造装置和制造方法）的工艺冲制绕叠而成，或采用非晶合金导磁材料加工而成。

有益效果：本发明的一种螺旋运动电机，由于是依据电机理论对现有旋转电机的改造而成，磁场仍然是闭路磁场、使得该螺旋电机径向圆周受力仍然较平衡稳定，结构更简单、制造更容易，成本更低，控制更方便，效率更高、应用更广泛；由于动子可实现螺旋运动，可使控制位移精度更高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明：

图1为本发明的一种螺旋运动电机的基本原理示意图。

图2为本发明的一种感应式螺旋运动电机的结构原理示意图。

图3为本发明的一种永磁式螺旋运动电机的结构示意图。

图4（a）为本发明的一种开关磁阻式螺旋运动电机的一截面结构示意图，图4（b）为该螺旋运动电机的功率变换器与三相绕组的连接示意图。

图5为本发明的一种磁阻式步进螺旋运动电机的一截面结构和原理示意图。

图6（a）为本发明的一种双定子分数槽集中绕组永磁式螺旋运动电机的结构原理示意图，图6（b）为该螺旋运动电机的功率逆变器与三相绕组的连接示意图。

具体实施方式

附图1为本发明的一种螺旋运动电机的基本原理示意图。1A为螺旋电机一动子，2B为螺旋电机一定子N极产生的磁场的展开示意图，1B为动子1A上的一段螺旋载流体的展开示意图，当载流体上有一电流1I通过时，按照左手定则（电动机定则）可知，载流体1B将受到一个垂直于该载流体方向的合力F的作用。合力F可分解为垂直于动子1A的轴线1X并与动子1A圆周相切的水平分力（旋转分力）F1和平行于动子1A的轴线1X的轴向分力F2，F1可驱动动子1A绕动子轴心1X以角速度w旋转,F2可驱动动子1A沿动子轴心以线速度v作直线运动。w与v的合成运动即构成了动子1A绕动子轴心1X的螺旋运动。

图2为本发明的一种感应式螺旋运动电机的结构示意图。该螺旋电机由定子磁路B3,定子绕组A1、B1、C1、C2等,定子导磁连桥B2；动子1A,动子导体1B1，动子导电带1B2，电机壳体C5，端盖C3、C6，旋转往复轴承C4、C7等构成。向定子绕组A1、B1、C1等输入三相交流电源，会在定子磁路B3与动子1A之间形成的气隙和动子导电带1B2上感应形成螺旋运动磁场，螺旋运动磁场会在动子导体上产生感应电流，感应电流与螺旋磁场相互作用，使动子1A产生螺旋运动。导磁连桥B2可将定子绕组C1的磁路与绕组C2的磁路连通，以减少磁路的端部效应。

图3为本发明的一种永磁式螺旋电机的结构示意图。图中外部永久磁路1由环形永久磁铁NS（环形永久磁铁的N极1N，环形永久磁铁的S极1S），N极螺旋极靴2N，S极螺旋极靴2S等构成，图中3为螺旋电枢，电枢3上的导体3A螺旋布置在电枢齿槽内，4为电枢换向器，5N为正极电刷，5S为负极电刷，6为螺旋电机轴。当从电刷5N、5S输入直流电源时，在换向器4的换向作用下，使之在2N极螺旋极靴下的电枢电流与在2S极螺旋极靴下的电枢电流在螺旋磁场的作用下产生一个垂直于电枢导体3A的力，因此，转子和动子之间会产生一个螺旋运动。当将外部永久磁路1固定时，轴6会产生一螺旋运动，改变输入电流的方向可改变螺旋运动的方向。当在轴6上只限制旋转方向的运动时，轴6会产生纯直线运动，改变输入电流的方向可改变直线运动的方向；当在轴6上只限制直线运动方向的运动时，轴6会产生纯旋转运动，改变输入电流的方向可改变旋转运动的方向。

图4（a）为本发明的一种开关磁阻式螺旋运动电机的一截面结构示意图，图4（b）为该螺旋运动电机的功率变换器与三相绕组的连接示意图。该电机由定子铁芯1、动子铁芯2、两组定子三相绕组3、4、5等构成，定子六个磁极1A上绕有两组定子三相绕组3、4、5，径向相对的两个绕组连接在一起，组成一相；动子四个磁极，定子磁极1A与动子磁极2A之间留有气隙。定子铁芯1的各个磁极1A绕动子2外表面螺旋布置，动子铁芯2的各个磁极2A绕动子2表面螺旋布置，定子磁极1A和动子磁极2A都是顺时针螺旋布置，升角都是45°，功率变换器图4（b）是开关磁阻螺旋电机的电源接口，A、B、C为电机的三相绕组，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相绕组A、B、C的电流通断，三个开关晶体管旁边并联的二极管是用来续流的。动子铁芯2上没有线圈，也无导电体，开关磁阻螺旋电机是根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，利用齿间的吸引力拉动动子螺旋运动的。由于电机靠磁阻工作，所以，跟磁通方向无关，跟电流方向无关。电机上还装有动子位置检测装置，为准时开关各相绕组电流提供依据，位置检测装置通过控制器对功率变换器进行控制，控制器由微处理器与接口电路组成。

图5为本发明的一种磁阻式步进螺旋运动电机的一截面结构和原理示意图。该电机由定子铁芯1、动子铁芯2、套在定子磁极1A上的绕组1B、定子磁极1A上的小齿1C、动子铁芯2外周的小齿2C等构成，在定子铁芯1内周有六个磁极1A，每个磁极上有5个小齿1C，齿中心距为9度，齿宽与齿间大小一样，径向的两个磁极组成一对磁极，定子铁芯1的各个磁极1A及小齿1C绕动子2外表面螺旋布置，动子铁芯2的各个小齿2C绕动子2表面螺旋布置，定子磁极1A及其小齿1C和动子小齿2C都是顺时针螺旋布置，升角都是60°，由于定子磁极1A上的小齿1C的齿宽与齿间与动子2上的小齿2C一样，所以，当定子的一对磁极小齿与动子小齿对齐时，另两对磁极小齿与动子小齿角度相差3度或-3度。本实施例中三对磁极可绕三组绕组组成三相绕组。由脉冲信号发生器按照给定的设置不断向步进电机驱动器（图4（b））发送控制信号，驱动器又根据螺旋方向与运动状态向三相绕组供电，即输入一个脉冲信号改变切换一次供电状态，每给一个控制脉冲信号动子螺旋转动一步。

图6（a）为本发明的一种双定子分数槽集中绕组永磁式螺旋运动电机的结构原理示意图，图6（b）为该螺旋电机的功率逆变器与三相绕组的连接示意图。图6（a）所示螺旋电机是6槽4极分数槽集中绕组，定子绕组1由1A、1B两组构成（图6（a）中是展开图），每组定子绕组由6个线圈组成A、B、C三相绕组，每相线圈由两个线圈串联组成，A相线圈入口端是A1，出口端是A2，B相线圈入口端是B1，出口端是B2，C相入口端是C1，出口端是C2，三个线圈出口端连接在一起组成星型接法。线圈的节距为一个槽距，线圈端部很短，节省铜线又减少铜损。动子2由若干个永磁体2A正反排列组成长动子，4个永磁体排列的长度等于6个线圈。螺旋电机的绕组的驱动电路是开关晶体管组成的三相功率逆变器（如图6（b）），其三相功率逆变器输出的波形为方波，而且每一时刻仅有两相线圈通过电流，开关晶体管BG1-BG6的切换由位置检测装置控制，采用霍尔元件1AC、1BC检测永磁体的极性与翻转，每组电机定子的三个霍尔元件分别安装在三相线圈的三个前沿位置。两组定子绕组1A、1B可通入相同相序的电源，也可以通入不同相序、不同大小的电流，以产生不同运动状态等。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的装置，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。